音叉密度計測量天然氣的密度應(yīng)用

發(fā)展概況
密度與相對密度是天然氣重要的物理參數(shù) ,它與天然氣的開發(fā)、燃燒、計量等工藝過程密切相關(guān)。測定天然氣密度有兩類方法 :一類是先測定天然氣的組成 ,再以組成分析數(shù)據(jù)計算天然氣的密度 (間接方法) ,國家標準“天然氣”( GB17820 —1999) 也規(guī)定可以 此 法 計 算 天 然 氣 密 度 , 而 計 算 則 按 GB/T11062 —1998 的規(guī)定[1 ] ;另一類方法是用儀器直接測定 ,此類方法我國尚未發(fā)布標準 ,但國際標準化組織天然氣技術(shù)委員會 ( ISO/ TC193) 已于 2000 年 3 月完成了國際標準草案[2 ] ,將于今年正式出版。

國際標準草案推薦用兩種儀器測定天然氣密度。一種是密度天平 ,另一種是振動式密度計。前者一般應(yīng)用于非在線測定 ,后者則主要應(yīng)用于在線或離線測定。目前歐美國家天然氣的交接計量經(jīng)常用能量計量 ,在采用此類計量方式的大型計量站中 ,天然氣的密度往往要同時采用上述兩類方法進行測定[3 ] ,并相互核對 ,在此類工況條件下采用振動式密度計較為方便。由于我國也將開展能量計量的試點工作 ,天然氣密度的直接測定是其中一個重要組成部分 ,為此 ,本文將對其原理、安裝、操作等方面涉及的問題作一扼要介紹。

測量原理
音叉密度計的核心元件是傳感器 —振動器 ,
它能保持自然頻率振動 ,而此頻率值則與其所處的氣體介質(zhì)密度有關(guān)。在工況條件下進行測定時 ,振動頻率與氣體密度之間的關(guān)系式見式 (1) ρ r = K0 + K1 (1/ f) + K2 (1/ f) 2 (1) 式中 :ρ r 為粗密度 ,即未經(jīng)溫度、壓力和氣體組
成校正前的密度 ,kg/ m3 ; f 為振動頻率 , Hz ; K0 , K1 ,
K2 為密度計的振動器常數(shù)。
在測定天然氣密度之前 ,先用某種已知密度的參比氣體進行校準(calibration) ,從而確定式(1) 中的 3 個常數(shù)。此時使用的公式見式 (2) 。除溫度、壓力、氣體組成等影響因素外 ,如果在被測定樣品天然氣中的聲速 (VOS) 不同于校準用的參比氣體 ,則也要用式(2) 加以校正。原則上制作振動元件的材料性質(zhì)與所處介質(zhì)的壓力有關(guān) ,但在大多數(shù)情況下壓力的影響甚小 ,可以忽略不計。因此 ,式 (2) 是一個溫度校正式。
ρ t = ρ r[1 + K3 ( td - tc) ] + K4 ( td - tc) (2) 式中 :ρ t 溫度校正后的密度 ,kg/ m3 ; tc 為校準時的溫度 , ℃; td 為測定時的溫度 , ℃; K3 , K4 為密度計的振動器常數(shù)。
式(1) 中的 3 個常數(shù)與振動器所接觸的氣體組成有關(guān)。由于在操作條件下氣體中的聲速 (VOS) 與氣體其它氣質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系已被詳細測定 ,故可以利用 VOS 來校準儀器從而確定這 3 個常數(shù)。如果在校準用參比氣體中的 VOS 不同于被測定天然氣 ,則經(jīng)過組成校正后的密度 (ρ c) 與式 (2) 中的ρ t 存在如式(3) 所示的關(guān)系。
式中 : cc 為在測定操作條件下校準用參比氣體(cg)中的聲速 ,m/ s; cg 為在被測定天然氣中的聲速 ,
m/ s; K5 為常數(shù)。
式(3) 中的 cg 與被測定天然氣的組成有關(guān)。它可以直接測定(如通過超聲流量計的信號) ,也可以通過ρ c 、td 和氣質(zhì)參數(shù)計算而得。一般 cg 變化達到 10 m/ s 時式(1) 中的校正項上變化約 0. 05 %。若要求的測定準確度不是非常高 ,且 cg 與 cc 之間的差值不大 ,也可以直接用ρ t ,不再進行有關(guān)氣體組成的校正。
儀器結(jié)構(gòu)與使用
音叉密度計有單振動元件和雙振動元件兩種類型 ,其結(jié)構(gòu)分別如圖 1 和圖 2 所示。
圖 1 單振動元件音叉密度計的結(jié)構(gòu)
如圖所示 ,音叉密度計分為兩個室。一個是全封閉的參比室 ,其中充注有與被測定天然氣相似的參比氣體。被測定的樣品天然氣連續(xù)通過另一個室 (測定室) ,用平衡器保持其壓力與參比室相等。密度計的設(shè)計要保證兩個室的溫度相同。
校準時將密度計連接到參比氣體氣源上。參比氣體可用某種純度大于 99.95 %的純氣體 ,或者組成固定的氣體混合物。參比氣體在操作條件下應(yīng)有與被測定氣體相同 (或十分接近) 的壓縮因子和
VOS。校準的時間間隔為 1 年或更長時間。
圖 2 雙振動元件密度計的結(jié)構(gòu)
密度計的過濾器應(yīng)經(jīng)常檢查 ,并按被測定天然氣的氣質(zhì)狀況定期更換。
當計量站中設(shè)置有兩種類型的密度測定系統(tǒng)時 ,兩者的測定結(jié)果應(yīng)隨時比較 ,若兩者的偏差超過預(yù)先設(shè)定的極限 ,密度計應(yīng)能自動報警。
安裝與取樣
音叉密度計在現(xiàn)場的安裝大致有 3 種不同的方式 :
第 1 種方式是在線安裝 ,使用壓力回收的方法把密度計安裝在孔板計量系統(tǒng)中 ,如圖 3 所示。
第 2 種方式是離線安裝 ,如圖 4 所示。當計量系統(tǒng)采用超聲波流量計時 ,通常采用此種安裝方式。
第 3 種方式也屬于離線安裝 ,但把過濾器安裝在保溫夾套中 ,從而進一步減少樣品氣管線與周圍環(huán)境之間的熱交換 ,如圖 5 所示。
在安裝與取樣過程中應(yīng)注意以下幾點 :
1.氣體對溫度的影響十分敏感 ,必須保持恒溫以滿足校準和使用的要求。密度計上的測溫元件應(yīng)為一種經(jīng)校準的 Pt - 100 元件 ,并直接置于密度計測定室中。
2.為使反沖時間減至最少 ,整個管線系統(tǒng)的阻力降要小 ,使流過儀器的氣體壓力盡可能接近取樣點的壓力。
3.若樣品天然氣中含有會造成污染儀器的雜質(zhì) ,應(yīng)設(shè)置高效率的過濾器 ;并注意防止因樣品氣壓力降產(chǎn)生的溫度降而導致樣品天然氣的組成發(fā)生變化。
4.樣品天然氣的流速應(yīng)嚴加控制。
5.應(yīng)滿足危險區(qū)域 (易燃氣體) 的安裝與操作要求。
6.在線儀器應(yīng)采用收縮式取樣頭 ,其安裝應(yīng)按
ISO17051 的規(guī)定。
7.若采用圖 5 所示的安裝方式 ,應(yīng)注意避免噪音和管線震動對振動器產(chǎn)生的影響。
8.若音叉密度計內(nèi)與管線內(nèi)的天然氣溫度無法達到一致 ,則兩者的差值可以式(4) 計算。

ρ l = ρ c td pl Zd (4) tl pd Zl

式中 : td 為密度計傳感器的溫度 ; tl 為管線內(nèi)的溫度 ; pd 為密度計的壓力 (一般可視為等于管線上取樣位置的壓力) ; pl 為管線上取樣位置的壓力 ; Zd 為密度計中天然氣的壓縮因子 (可以組成計算) ; Zl 為管線上取樣位置天然氣的壓縮因子 (可以組成計算) 。
檢定( verification)與維修
使用過程中應(yīng)隨時對儀器進行檢定[4] ,若發(fā)現(xiàn)問題立即進行維修 ,隨后再次檢定或校準。主要項目如下 :
1.零點檢定若密度計振動器在真空中的頻率是固定的 ,則在大多數(shù)情況下密度計的主要常數(shù)也不會變化。檢定時 ,將密度計抽真空 ,使之壓力降到正常操作壓力的 0.1 %以下 ,測定并記錄其振動頻率 ,若后者與在實驗室中校準時測定值的差值 ,相應(yīng)在正常操作時密度測定值的 0.02 %以內(nèi)是可以接受的。超過 0.02 %則表明儀器的靈敏度有變化 , 或者振動器上沉積有雜質(zhì) ,應(yīng)重新校準。
2.壓力變化試驗此項試驗 (僅針對離線安裝) 是檢定密度計的壓力是否等于樣品管線中天然氣在流動條件下的壓力。若觀察到測得的密度突然發(fā)生變化 ,應(yīng)檢查是否有堵塞。壓力突然變化而產(chǎn)生的對密度的影響 ,不會與樣品天然氣流經(jīng)密度計時的停頓導致溫度變化而產(chǎn)生的對密度的影響相混淆。前者是一種突然的變化 ,后者是緩慢的變化。
3.一致性檢定測得的密度值應(yīng)與預(yù)期值(以手動或自動的方式) 進行比較 ,預(yù)期值可以根據(jù)天然氣組成、溫度和壓力計算而得。天然氣的組成可以用氣相色譜法分析 ( GB/ T13610 —1992)。當兩者之間偏差大于 0.5%時 ,自動比較系統(tǒng)的報警器應(yīng)發(fā)出信號 ,隨后應(yīng)立即對儀器進行檢定。
4.維修過濾器應(yīng)定期檢查 ,并按檢查結(jié)果決定是否更換。兩次檢查之間的間隔則由操作條件下的天然氣氣質(zhì)決定。
幾點看法
1.用音叉密度計測定天然氣密度是天然氣能量計量的一個重要組成部分。
2.在大規(guī)模交接計量中 ,經(jīng)常要使用通過天然氣組成分析計算密度和密度計直接測定密度兩類方法互相校核。
3.ISO/ TC193 即將出版的國際標準推薦使用密度天平和振動式密度計兩種儀器測定天然氣密度。
4.振動式密度計比較適合于在線或離線測定。
5.我國目前在天然氣密度直接測定方面開展的研究工作不多 ,也尚未頒布有關(guān)標準 ,應(yīng)引起我們充分重視。